18.10.2021 - University of California, Santa Barbara

Sonnige Aussichten für die Solarenergie

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass anorganische Perowskit-Solarzellen sehr vielversprechend sind, um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu verbessern

Hybride organisch-anorganische Perowskite haben bereits sehr hohe photovoltaische Wirkungsgrade von mehr als 25 % gezeigt. Die vorherrschende Meinung in diesem Bereich ist, dass die organischen (kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen) Moleküle in dem Material entscheidend für das Erreichen dieser beeindruckenden Leistung sind, weil man annimmt, dass sie die defektunterstützte Ladungsträgerrekombination unterdrücken.

Neue Forschungsarbeiten der Materialabteilung der UC Santa Barbara haben nicht nur gezeigt, dass diese Annahme falsch ist, sondern auch, dass rein anorganische Materialien das Potenzial haben, hybride Perowskite zu übertreffen. Die Ergebnisse werden in dem Artikel "All-inorganic halide perovskites as candidates for efficient solar cells" (Anorganische Halogenidperowskite als Kandidaten für effiziente Solarzellen) veröffentlicht, der auf der Titelseite der Ausgabe vom 20. Oktober der Zeitschrift Cell Reports Physical Scienceerscheint .

"Um die Materialien zu vergleichen, haben wir umfassende Simulationen der Rekombinationsmechanismen durchgeführt", erklärt Xie Zhang, leitender Forscher der Studie. "Wenn Licht auf ein Solarzellenmaterial fällt, erzeugen die durch das Licht erzeugten Ladungsträger einen Strom; die Rekombination an Defekten zerstört einen Teil dieser Ladungsträger und senkt damit den Wirkungsgrad. Defekte wirken also als Effizienzkiller".

Um anorganische und hybride Perowskite zu vergleichen, untersuchten die Forscher zwei Prototypmaterialien. Beide Materialien enthalten Blei- und Jodatome, aber in einem Material wird die Kristallstruktur durch das anorganische Element Cäsium vervollständigt, während in dem anderen Material das organische Methylammoniummolekül vorhanden ist.

Diese Vorgänge experimentell zu klären, ist äußerst schwierig, aber mit Hilfe modernster quantenmechanischer Berechnungen lassen sich die Rekombinationsraten genau vorhersagen. Dies ist einer neuen Methode zu verdanken, die in der Gruppe des UCSB-Professors für Werkstoffe, Chris Van de Walle, entwickelt wurde, der Mark Turiansky, einem älteren Studenten der Gruppe, dabei half, den Code zur Berechnung der Rekombinationsraten zu schreiben.

"Unsere Methoden sind sehr leistungsfähig, um festzustellen, welche Defekte den Ladungsträgerverlust verursachen", sagte Turiansky. "Es ist aufregend zu sehen, wie dieser Ansatz auf eines der kritischen Themen unserer Zeit angewandt wird, nämlich die effiziente Erzeugung erneuerbarer Energien."

Die Simulationen zeigten, dass Defekte, die beiden Materialien gemeinsam sind, zu vergleichbaren (und relativ harmlosen) Rekombinationsraten führen. Das organische Molekül im hybriden Perowskit kann sich jedoch auflösen; wenn es zu einem Verlust von Wasserstoffatomen kommt, verringern die entstehenden "Leerstellen" den Wirkungsgrad stark. Das Vorhandensein des Moleküls ist also eher ein Nachteil als ein Vorteil für die Gesamteffizienz des Materials.

Warum wurde dies bisher nicht experimentell festgestellt? Vor allem, weil es schwieriger ist, hochwertige Schichten aus anorganischen Materialien herzustellen. Sie neigen dazu, andere Kristallstrukturen anzunehmen, und die Förderung der Bildung der gewünschten Struktur erfordert einen größeren experimentellen Aufwand. Jüngste Forschungen haben jedoch gezeigt, dass es durchaus möglich ist, die gewünschte Struktur zu erreichen. Dennoch erklärt die Schwierigkeit, warum den anorganischen Perowskiten bisher nicht so viel Aufmerksamkeit geschenkt wurde.

"Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse über die zu erwartende Effizienz weitere Aktivitäten zur Herstellung anorganischer Perowskite anregen werden", so Van de Walle abschließend.

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